電容式觸控電荷轉(zhuǎn)移橫向模式技術(shù)

　　由于觸控屏幕反應(yīng)迅速，而且是直觀式操作，因此正迅速被各類消費(fèi)電子產(chǎn)品和交通售票系統(tǒng)等工業(yè)及商業(yè)設(shè)備選為使用者接口。

　　在技術(shù)層面上，觸控屏幕早在數(shù)10年前就已確實(shí)可行，但早期技術(shù)并不適用于低成本的大眾市場(chǎng)應(yīng)用，這些技術(shù)包括紅外線系統(tǒng)與表面聲波感測(cè)系統(tǒng)，由于紅外線系統(tǒng)采用由水平和垂直兩個(gè)方向構(gòu)成的傳感器數(shù)組，用以檢測(cè)使用者的手指是否靠近屏幕表面，而阻斷經(jīng)過(guò)調(diào)制的光束，而表面聲波傳感器，因手指接近屏幕表面時(shí)會(huì)吸收聲波，因此該技術(shù)可根據(jù)聲波的變化確定是否有手指觸及屏幕。

　　除上述提到的技術(shù)之外，還有幾種其它技術(shù)，不過(guò)目前的主流趨勢(shì)是電阻式和電容式感測(cè)，這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)，但最新的電容式控制IC不單能簡(jiǎn)化單觸控應(yīng)用，而且還可以實(shí)現(xiàn)電阻式感測(cè)系統(tǒng)無(wú)法提供的多指觸控功能。

　　電阻式觸控面板　囿于架構(gòu)而導(dǎo)致諸多缺點(diǎn)

　　電阻式觸控屏幕已擺脫從1970年代就存在的專利限制桎梏，這種技術(shù)的工作原理很簡(jiǎn)單，主要部分是由兩層微小空氣隙隔離的透明電阻材料組成，一般是淀積在塑料膜和玻璃基板上的氧化銦錫（ITO），其中，頂層是軟性的（Flexible），而低層是硬性的（Rigid），中間有許多細(xì)小的透明間隔點(diǎn)以隔離兩個(gè)導(dǎo)電層（圖1），當(dāng)用戶手指按壓頂層時(shí)，在接觸點(diǎn)形成電壓梯度時(shí)，電子控制組件會(huì)對(duì)之進(jìn)行感測(cè)，并計(jì)算出X、Y坐標(biāo)的位置。

圖1：電阻式觸控面板原理示意

圖2：電阻式觸控屏幕電極正交電位計(jì)

　　在最簡(jiǎn)單的四線（Four-wire）電阻式連接中，頂層兩端和低層兩端分別各連接兩個(gè)電極，兩層的電極互相呈九十度交叉，形成四線星狀連接結(jié)構(gòu)，這實(shí)際上就是一對(duì)彼此正交的電位計(jì)（圖2），相當(dāng)于機(jī)械操縱桿的平面屏幕模擬。 為了在X軸方向測(cè)量觸摸位置，觸控板的控制器將X-設(shè)為接地，而X+偏置為參考電壓，然后從Y層的兩端讀取電壓，以找出X軸上兩層的接觸點(diǎn)。同樣地，控制器透過(guò)在Y層的電極上加載驅(qū)動(dòng)電壓，并從X層讀取觸摸點(diǎn)電壓，可以確定Y軸上的觸摸位置。

　　這種技術(shù)的變化形包括五線系統(tǒng)，基板帶有ITO涂層，四邊都有電極。軟性隔膜為第五個(gè)電極，當(dāng)用戶手指壓按時(shí)，控制器可測(cè)量出X和Y軸的電壓，從而確定觸摸的位置。這種排列通?？商峁┍人木€結(jié)構(gòu)更佳的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的壽命。其它變化還有適用于大型屏幕、分辨率更高的六線和八線系統(tǒng)。

　　電阻式技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其接口電子結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，控制器只須在一對(duì)電極上加載參考電壓，同時(shí)測(cè)量另一對(duì)電極間的電勢(shì)即可，而這一點(diǎn)利用片上（On-chip）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MOSFET）開關(guān)、模擬多路器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）就可輕松做到。若ADC進(jìn)行差分測(cè)量，測(cè)量結(jié)果實(shí)際上成為比率計(jì)（Radiometric），可使用Vcc和接地作激勵(lì)（Stimulus），透過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，就完全有可能獲得4，09*，096的分辨率。

　　相反地，這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)源于觸控屏幕的多層結(jié)構(gòu)。其基層一般是玻璃，表面涂有一層均勻的ITO，頂層通常由聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯（PET）制造，內(nèi)表面（Inner Surface）也涂有一層均勻的ITO，而外表面（Outer Surface）則有硬涂層，以為保護(hù)作用，而形成空氣隙以把這些導(dǎo)電層隔離開的細(xì)小透明間隔點(diǎn)常在打印制程中產(chǎn)生。這種多層材料堆棧的多層結(jié)構(gòu)對(duì)透光性有所影響，一般將降至約透明玻璃透光率的75%，同時(shí)，空氣間隙可能產(chǎn)生薄霧效應(yīng)，進(jìn)一步降低清晰度。此外，這種結(jié)構(gòu)很容易刮傷損壞，而且因?yàn)闄C(jī)械軸性不重合，還須仔細(xì)校準(zhǔn)以確定X、Y坐標(biāo)范圍，其它弱點(diǎn)還包括可能吸收電氣噪聲，尤其是來(lái)自液晶顯示器（LCD），這時(shí)一般須進(jìn)行濾波，將導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)然，控制器一次只能處理一個(gè)觸摸位置，也是一大局限。

　　利用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)解決應(yīng)用挑戰(zhàn)

　　由于電阻式觸控屏幕存在缺陷和局限性，許多設(shè)計(jì)人員已轉(zhuǎn)向投射式電容感測(cè)技術(shù)。這種技術(shù)在IC形式上分為好幾種電路，主要包括容抗（RC）時(shí)間常數(shù)測(cè)量電路，如弛張振蕩器、直流（AC）電流測(cè)量組件，以及電荷轉(zhuǎn)移（Charge-transfer）組件。電荷轉(zhuǎn)移組件又分為單端模式（Single-ended）和橫向模式（Transverse-mode），選擇上述任何一種方法，利用在兩層或更多迭層上的電極行列數(shù)組，都可以實(shí)現(xiàn)觸控屏幕。

　　RC時(shí)間常數(shù)技術(shù)的基本原理是，當(dāng)電容組件C隨手指觸摸改變時(shí)，電極區(qū)域充電或放電所需的時(shí)間也隨之改變。測(cè)量充/放電期間的變化可得到C的變化，因?yàn)镃是未知，所以假設(shè)為Cx，這種方法有許多變化形式，可測(cè)量頻率或時(shí)間、可自由運(yùn)行或以單周期為基礎(chǔ)。RC時(shí)間常數(shù)測(cè)量的缺點(diǎn)是速度較慢，并易受泄漏電流干擾，其動(dòng)態(tài)范圍也非常有限，很難校準(zhǔn)，而且容易受到恒定漂移問(wèn)題的影響。此外，由于其電路的高阻抗特性，所以也極易受外界噪聲干擾，盡管如此，仍有部分觸控屏幕采用這種方案。

　　至于AC電流測(cè)量方法，由一個(gè)AC電壓源驅(qū)動(dòng)阻抗，繼而驅(qū)動(dòng)Cx，故測(cè)量阻抗產(chǎn)生的電壓就可確定Cx的值。這些電路也有很多和RC電路相同的局限性，不過(guò)前者的驅(qū)動(dòng)阻抗一般較低，然而其須利用放大器恢復(fù)串聯(lián)阻抗產(chǎn)生的小電壓，但訊噪比等方面的問(wèn)題又隨之而來(lái)，這種方法在觸控屏幕中已有一定運(yùn)用，尤其是在帶低阻抗邊沿的前表面板中。

　　和RC及AC技術(shù)相同，單端電荷轉(zhuǎn)移電容傳感器也是在每個(gè)感測(cè)通道采用一個(gè)電極板，但不依賴于時(shí)序測(cè)量或放大器，而是采用互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）開關(guān)把電荷泵入Cx，并把電荷轉(zhuǎn)移到一個(gè)參考采樣電容（Cs）中。透過(guò)計(jì)算Cs達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓值所需的周期數(shù)，就可很容易求得電荷電平，且這個(gè)周期數(shù)與Cx成反比。眾所周知，電荷轉(zhuǎn)移方法有助于抑制泄漏電流的影響，而且由于其采用一個(gè)很大的Cs作為檢測(cè)器，這個(gè)檢測(cè)器相當(dāng)于對(duì)外界的一個(gè)低阻抗，故其抗外部電氣噪聲的能力非常強(qiáng)。

　　與之相反，橫向模式電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)是每個(gè)感測(cè)元素都采用兩個(gè)電極?；旧?，其電氣行為與單端電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)相同，但這些電路在發(fā)送/接收矩陣中采用電極數(shù)組創(chuàng)造觸控屏幕功能。該方案的優(yōu)點(diǎn)是其需要的布線較少，更甚之能同時(shí)識(shí)別和區(qū)分多個(gè)觸點(diǎn)之間的差異，單端電路也可感測(cè)多個(gè)觸點(diǎn)，不過(guò)由于訊號(hào)本身模糊，故不能區(qū)分。此外，橫向模式方案還有速度快和功耗低的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠淠芡瑫r(shí)測(cè)量一條驅(qū)動(dòng)線路上的所有節(jié)點(diǎn)，所以可減少50%的采集周期數(shù)。這種雙電極式結(jié)構(gòu)具有自我屏蔽外部噪聲的功能，在定功率級(jí)上可提高訊號(hào)穩(wěn)定性，因此，量研科技（Quantum Research）一直將橫向模式感測(cè)技術(shù)作為驅(qū)動(dòng)觸控屏幕的主要方案，利用高載模式采樣、擴(kuò)頻調(diào)制及數(shù)字訊號(hào)處理等各種增強(qiáng)型技術(shù)的結(jié)合，促成抗噪聲源干擾能力強(qiáng)，即使在惡劣環(huán)境下也較穩(wěn)健的解決方案。

　　在電氣方面，橫向模式感測(cè)的工作原理非常類似于T橋衰減器電路，使用者的手指實(shí)際上相當(dāng)于一對(duì)電容之間的Cx項(xiàng)（圖3）。手指觸控屏幕表面吸收驅(qū)動(dòng)電極和接收電極之間的耦合電荷，電荷經(jīng)由大量雜散電容路徑返回至電路的接地，這會(huì)降低訊號(hào)的強(qiáng)度，而降低的程度很容易且可靠地測(cè)出。

圖3：橫向模式感測(cè)的工作原理

　　盡管功耗極低，橫向模式傳感器卻容易可穿過(guò)好幾毫米厚的塑料、玻璃及其它材料，檢測(cè)出使用多手指觸摸，電極可由任何導(dǎo)電材料制作而成，如ITO，而且?guī)缀跞魏纬叽绾托螤疃伎梢?。噪聲消?a target="_blank">算法可幫助這些傳感器消除LCD等模塊產(chǎn)生的噪聲，通常毋需單獨(dú)的屏蔽層，從而提高顯示器的光傳輸性能，同時(shí)降低產(chǎn)品的建構(gòu)成本和背光功率的要求，而廠商推出的QMatrix橫向模式電路采用一種雙斜坡轉(zhuǎn)換形式，可確保電路對(duì)時(shí)間和溫度的變化具有高度穩(wěn)定性（圖4）。

圖4:QMatrix橫向模式電路示意圖

廠商發(fā)展的芯片透過(guò)與驅(qū)動(dòng)脈沖同步開關(guān)的采樣電容收集耦合到接收電極中的訊號(hào)，并利用一個(gè)脈沖串改進(jìn)訊噪比，每個(gè)脈沖串的脈沖數(shù)量將直接影響電路的增益，因此，可方便調(diào)整電路增益，使其適合于不同的面板材料、按鍵尺寸和面板厚度。

　　脈沖串產(chǎn)生的第一個(gè)斜坡是加到采樣電容上的梯級(jí)波形訊號(hào)，脈沖串過(guò)后，驅(qū)動(dòng)器把斜率電阻的參考端切換為高電平，對(duì)采樣電容進(jìn)行放電，直到將電荷用完，電壓比較器檢測(cè)出零交叉點(diǎn)為止，獲得零交叉點(diǎn)所需的斜坡時(shí)間與X、Y電荷耦合成比例，并隨用戶手指觸摸面板表面而減小（圖5）。

圖5：零交叉點(diǎn)所需的斜坡時(shí)間與X、Y電荷耦合比例圖

　　這種自動(dòng)調(diào)零行為讓電路對(duì)工作電壓和電路參數(shù)，如Cs值的變化具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力。該項(xiàng)技術(shù)還提供潮濕抑制及固有的抗射頻（RF）干擾能力，這是其它電容方法無(wú)法望其項(xiàng)背的部分，如面板表面若存在水珠之類的局部水膜，將使訊號(hào)耦合略微增加；而使用者手指的觸摸則會(huì)使耦合減小。這意味著少量的潮濕會(huì)造成錯(cuò)誤的方向變化，導(dǎo)致誤觸發(fā)，這是令其它解決方案感到頭疼的問(wèn)題。潮濕水膜的出現(xiàn)可能引開電荷，但由于水膜的建模模型是一個(gè)依賴于時(shí)間特性的分布式RC網(wǎng)絡(luò)，電荷收集中門控時(shí)間的使用（微秒數(shù)量級(jí)或更短）抑制水膜的影響。

　　單層觸控屏幕崛起

　　由于組件可以在片上執(zhí)行所有訊號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)，故只需少量離散式電阻與電容，再加上一個(gè)簡(jiǎn)單的序列接口，如I2C即可。從軟件程序設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，組件擁有簡(jiǎn)單的命令集（Command Set）和用于不同寄存器的儲(chǔ)存映像結(jié)構(gòu)，這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)人員的主要任務(wù)就簡(jiǎn)化為設(shè)計(jì)感測(cè)矩陣和編寫接口代碼。投射式電容觸控屏幕需要一個(gè)X、Y透明電極矩陣（圖6），以精確確定手指的位置。

圖6：投射式電容觸控屏幕所需之X、Y透明電極矩陣

　　上述通常需要在玻璃或塑料涂敷的透鏡后迭壓兩層或兩層以上的ITO，由于每增加一層就會(huì)增加成本，并降低9%的透光性，因此應(yīng)該盡可能減少層數(shù)。雖然廠商的觸控屏幕芯片完全能支持多層鉆石型圖案，但這些芯片也可采用專有的單層膜技術(shù)。相較多層技術(shù)，單層膜電極的透明度要高得多、薄得多，成本也低得多，這些優(yōu)點(diǎn)自然使其大受設(shè)計(jì)人員青睞。

　　雙軸多觸點(diǎn)技術(shù)面世

　　利用單層膜同步執(zhí)行雙觸點(diǎn)檢測(cè)也是可行的，但若采用能夠同時(shí)解決多觸點(diǎn)事件的雙層技術(shù)，性能便會(huì)好得多。如圖7顯示在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試模型中使用者用三根指頭和大拇指時(shí)，電場(chǎng)的三維測(cè)量結(jié)果。

圖7：使用多手指時(shí)電場(chǎng)三維測(cè)量結(jié)果

　　透過(guò)連接一個(gè)放在六電極Y層上的八電極X層，控制器可支持大至8寸的雙觸控屏幕，而且這種多功能控制器能感測(cè)多達(dá)六個(gè)滑塊或四十八個(gè)離散式按鍵，或按鍵、滑塊與觸摸區(qū)域的組合，該控制器為接腳數(shù)精簡(jiǎn)的版本，利用類似的簡(jiǎn)單布線圖（圖8），能夠驅(qū)動(dòng)八條X軸和接收四條Y軸，或區(qū)分多達(dá)三十二個(gè)離散式按鍵。

圖8：控制器電路圖

　　而直接影響增益的斜率電阻器一般在1mΩ數(shù)量級(jí)，X和Y方向上可選配的電阻器能改善電磁兼容（EMC）性能和抗靜電放電（ESD）能力，典型值在1～20kΩ范圍。除了控制器外，廠商并推出觸控屏幕演示*測(cè)工具套件，設(shè)計(jì)人員毋須使用使用者界面解釋手勢(shì)，如某個(gè)手勢(shì)可能包含兩根手指以水平或垂直方式或成某一角度的分開行動(dòng)，在照片應(yīng)用的情況中，這也許意味著對(duì)圖像的某個(gè)區(qū)域局部縮放，而在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）地圖繪制應(yīng)用中，相同的動(dòng)作則可能集中在某個(gè)特定區(qū)域或感興趣的街道。此外，旋轉(zhuǎn)手勢(shì)可能代表旋轉(zhuǎn)CAD程序三維空間中的某個(gè)物體，或是游戲作戰(zhàn)區(qū)中某個(gè)外星指揮官的太空艦隊(duì)著陸。正如其它眾多創(chuàng)新一樣，在設(shè)計(jì)人員的工具套件中增加概念簡(jiǎn)單的工具，可以激勵(lì)創(chuàng)新性，催生出在諸多同類產(chǎn)品中脫穎而出的產(chǎn)品。